Класифікація та основні елементи геліосистем

Системами сонячного теплопостачання називаються системи, що використовують як джерело теплової енергії сонячну радіацію. Їхньою характерною відмінністю від інших систем низькотемпературного опаленняє застосування спеціального елемента– геліоприймача, призначеного для уловлювання сонячної радіації та перетворення її на теплову енергію.

За способом використання сонячної радіації системи сонячного низькотемпературного опалення поділяють на пасивні та активні.

Пасивними називаються системи сонячного опалення, в яких як елемент, що сприймає сонячну радіацію і перетворює її на теплоту, служать сама будівля або її окремі огородження (будівля-колектор, стіна-колектор, покрівля-колектор і т. п. (рис. 3.4)) .

Рис. 3.4. Пасивна низькотемпературна система сонячного опалення “стіна-колектор”: 1 – сонячне проміння; 2 – променепрозорий екран; 3 – повітряна заслінка; 4 – нагріте повітря; 5 – охолоджене повітря із приміщення; 6 – власне довгохвильове теплове випромінювання масиву стіни; 7 - чорна променевосприймаюча поверхня стіни; 8 – жалюзі.

Активними називаються системи сонячного низькотемпературного опалення, в яких геліоприймач є самостійним окремим пристроєм, що не відноситься до будівлі. Активні геліосистеми можуть бути поділені:

‑ за призначенням (системи гарячого водопостачання, опалення, комбіновані системи з метою теплохолодопостачання);

‑ на вигляд використовуваного теплоносія (рідинні – вода, антифриз та повітряні);

‑ за тривалістю роботи (круглорічні, сезонні);

‑ з технічного вирішення схем (одно-, дво-, багатоконтурні).

Повітря є широко поширеним теплоносієм, що незамерзає у всьому діапазоні робочих параметрів. При застосуванні його як теплоносій можливе суміщення систем опалення із системою вентиляції. Проте повітря – малотепломісткий теплоносій, що веде до збільшення витрати металу на влаштування систем повітряного опаленняпроти водяними системами.

Вода є теплоємним та широкодоступним теплоносієм. Однак при температурах нижче 0°С до неї необхідно додавати незамерзаючі рідини. Крім того, слід враховувати, що вода, насичена киснем, викликає корозію трубопроводів та апаратів. Але витрата металу у водяних геліосистемах значно нижча, що великою мірою сприяє ширшому їх застосуванню.

Сезонні геліосистеми гарячого водопостачання зазвичай одноконтурні та функціонують у літні та перехідні місяці, у періоди з позитивною температурою зовнішнього повітря. Вони можуть мати додаткове джерело теплоти або обходитися без нього в залежності від призначення об'єкта, що обслуговується, і умов експлуатації.

Геліосистеми опалення будівель зазвичай двоконтурні або найчастіше багатоконтурні, причому для різних контурів можуть бути застосовані різні теплоносії (наприклад, у геліоконтурі – водні розчини рідин, що незамерзають, у проміжних контурах – вода, а в контурі споживача – повітря).

Комбіновані геліосистеми цілорічної дії для цілей теплохолодопостачання будівель багатоконтурні та включають додаткове джерело теплоти у вигляді традиційного теплогенератора, що працює на органічному паливі, або трансформатора теплоти.

Принципова схемасистеми сонячного теплопостачання наведено на рис.3.5. Вона включає три контури циркуляції:

‑ перший контур, що складається із сонячних колекторів 1, циркуляційного насоса 8 та рідинного теплообмінника 3;

‑ другий контур, що складається з бака-акумулятора 2, циркуляційного насоса 8 та теплообмінника 3;

- третій контур, що складається з бака-акумулятора 2, циркуляційного насоса 8, водоповітряного теплообмінника (калорифера) 5.

Рис. 3.5. Принципова схема системи сонячного теплопостачання: 1 – сонячний колектор; 2 – бак-акумулятор; 3 – теплообмінник; 4 – будівля; 5 – калорифер; 6 – дублер системи опалення; 7 – дублер системи гарячого водопостачання; 8 – циркуляційний насос; 9 – вентилятор.

Функціонує система сонячного теплопостачання в такий спосіб. Теплоносій (антифриз) теплоприймального контуру, нагріваючись у сонячних колекторах 1, надходить у теплообмінник 3, де теплота антифризу передається воді, що циркулює міжтрубному просторі теплообмінника 3 під дією насоса 8 другого контуру. Нагріта вода надходить у бак-акумулятор 2. З бака-акумулятора вода забирається насосом гарячого водопостачання 8, при необхідності доводиться до необхідної температури в дублері 7 і надходить в систему гарячого водопостачання будівлі. Підживлення бака акумулятора здійснюється з водопроводу.

Для опалення вода з бака-акумулятора 2 подається насосом третього контуру 8 калорифер 5, через який за допомогою вентилятора 9 пропускається повітря і, нагрівшись, надходить в будинок 4. У разі відсутності сонячної радіації або нестачі теплової енергії, що виробляється сонячними колекторами, в роботу включається дублер 6.

Вибір та компонування елементів системи сонячного теплопостачання у кожному конкретному випадку визначаються кліматичними факторами, призначенням об'єкта, режимом теплоспоживання, економічними показниками.

Концентруючі геліоприймачі

Концентруючі геліоприймачі є сферичними або параболічними дзеркалами (рис. 3.6), виконані з полірованого металу, у фокус яких поміщають теплосприймаючий елемент (сонячний котел), через який циркулює теплоносій. Як теплоносій використовують воду або незамерзаючі рідини. При використанні в якості теплоносія води в нічний годинник і в холодний період систему обов'язково випорожнюють для запобігання її замерзанню.

Для забезпечення високої ефективності процесу уловлювання та перетворення сонячної радіації концентруючий геліоприймач повинен бути постійно спрямований суворо на Сонце. З цією метою геліоприймач забезпечують системою стеження, що включає датчик напрямку на Сонце, електронний блок перетворення сигналів, електродвигун з редуктором для повороту конструкції геліоприймача у двох площинах.

Перевагою систем з концентруючими геліоприймачами є здатність вироблення теплоти щодо високої температури (до 100 °С) і навіть пари. До недоліків слід зарахувати високу вартість конструкції; необхідність постійного очищення поверхонь, що відбивають, від пилу; роботу тільки у світлий час доби, а отже потреба в акумуляторах великого об'єму; Великі енерговитрати на привід системи стеження за перебігом Сонця, порівняні з енергією, що виробляється. Ці недоліки стримують широке застосуванняактивних низькотемпературних систем сонячного опалення із концентруючими геліоприймачами. В Останнім часомНайчастіше для сонячних низькотемпературних систем опалення застосовують плоскі геліоприймачі.

Плоскі сонячні колектори

Плоский сонячний колектор – пристрій з поглинаючою панеллю плоскої конфігурації та плоскою прозорою ізоляцією для поглинання енергії сонячного випромінювання та перетворення її на теплову.

Плоскі сонячні колектори (рис. 3.7) складаються зі скляного або пластикового покриття (одинарного, подвійного, потрійного), теплосприймаючої панелі, пофарбованої з боку, зверненої до сонця, у чорний колір, ізоляції на звороті та корпусу (металевого, пластикового, скляного, дерев'яного).

Як теплосприймаюча панель можна використовувати будь-який металевий або пластмасовий лист з каналами для теплоносія. Виготовляються теплосприймаючі панелі з алюмінію або сталі двох типів: лист-труба та штамповані панелі (труба у листі). Пластмасові панелі через недовговічність та швидке старіння під дією сонячних променів, а також через малу теплопровідність не знаходять широкого застосування.

Рис. 3.6 Концентруючі геліоприймачі: а – параболічний концентратор; б – параболоциліндричний концентратор; 1 – сонячні промені; 2 – теплосприймаючий елемент (сонячний колектор); 3 – дзеркало; 4 – механізм приводу системи стеження; 5 – трубопроводи, що підводять та відводять теплоносій.

Рис. 3.7. Плоский сонячний колектор: 1 – сонячне проміння; 2 – скління; 3 – корпус; 4 – теплосприймаюча поверхня; 5 – теплоізоляція; 6 – ущільнювач; 7 – власне довгохвильове випромінювання теплосприймаючої пластини.

Під дією сонячної радіації теплосприймаючі панелі розігріваються до температур 70-80 °С, що перевищують температуру навколишнього середовища, що веде до зростання конвективної тепловіддачі панелі. навколишнє середовищета її власного випромінювання на небосхил. Для досягнення більш високих температур теплоносія поверхню пластини покривають спектрально-селективними шарами, активно поглинають короткохвильове випромінювання сонця і знижують її власне теплове випромінювання в довгохвильовій частині спектра. Такі конструкції на основі "чорного нікелю", "чорного хрому", окису міді на алюмінії, окису міді на міді та інші дорогі (їх вартість часто можна порівняти з вартістю самої теплосприймаючої панелі). Іншим способом покращення характеристик плоских колекторів є створення вакууму між теплосприймаючою панеллю та прозорою ізоляцією для зменшення теплових втрат (сонячні колектори четвертого покоління).

Досвід експлуатації сонячних установокна основі сонячних колекторів виявив низку істотних недоліків подібних систем. Насамперед це висока вартість колекторів. Збільшення ефективності їхньої роботи за рахунок селективних покриттів, підвищення прозорості скління, вакуумування, а також пристрої системи охолодження виявляються економічно нерентабельними. Істотним недоліком є ​​необхідність частого очищення скла від пилу, що практично виключає застосування колектора у промислових районах. При тривалій експлуатації сонячних колекторів, особливо в зимових умовах, спостерігається частий вихід з ладу через нерівномірності розширення освітлених і затемнених ділянок скла з допомогою порушення цілісності скління. Відзначається також великий відсоток виходу з ладу колекторів під час транспортування та монтажу. Значним недоліком роботи систем із колекторами є також нерівномірність завантаження протягом року та доби. Досвід експлуатації колекторів в умовах Європи та європейської частини Росії при високій частці дифузної радіації (до 50%) показав неможливість створення цілорічної автономної системигарячого водопостачання та опалення. Усі геліосистеми із сонячними колекторами в середніх широтах вимагають пристрої великих за обсягом баків-акумуляторів та включення до системи додаткового джерела енергії, що знижує економічний ефект від їх застосування. У зв'язку з цим найбільш доцільним є їх використання в районах з високою середньою інтенсивністю сонячної радіації (не нижче 300 Вт/м 2 ).

В середньому по році, залежно від кліматичних умов і широти місцевості, потік сонячного випромінювання на земну поверхню становить від 100 до 250 Вт/м 2 досягаючи пікових значень опівдні при ясному небі, практично в будь-якому (незалежно від широти) місці, близько 1000 Вт/м 2 . В умовах середньої смугиРосії сонячне випромінювання «приносить» поверхню землі енергію, еквівалентну приблизно 100-150 кг умовного палива на м 2 на рік.

Математичне моделювання найпростішої сонячної водонагрівальної установки, проведене в Інституті високих температур Російської академії наук з використанням сучасних програмних засобів і даних типового метеогоду показало, що в реальних кліматичних умовах середньої смуги Росії доцільно використання сезонних плоских сонячних водонагрівачів, що працюють у період з березня до березня. Для встановлення зі ставленням площі сонячного колектора до об'єму бака-акумулятора 2 м 2 /100 л ймовірність щоденного нагрівання води в цей період до температури не менше ніж 37°С становить 50-90%, до температури не менше ніж 45°С - 30- 70%, до температури не менше ніж 55°С – 20-60%. Максимальні значення ймовірності відносяться до літніх місяців.

«Ваш Сонячний Дім» розробляє, комплектує і поставляє як з пасивною, так і з активною циркуляцією теплоносія. Опис цих систем ви можете знайти у відповідних розділах нашого сайту. Замовлення та купівля здійснюється через .

Дуже часто ставить питання, чи можна використовувати сонячні нагрівальні установкидля опалення за умов Росії. З цього приводу написано окрему статтю — «Сонячна підтримка опалення»

Продовжити читання

Зі зростанням цін на енергоносії все більш актуальним стає використання альтернативних джерел енергії. Оскільки опалення у багатьох основна стаття витрат, то про опалення йдеться в першу чергу: платити доводиться практично цілий рікта чималі суми. За бажання заощадити, першим на думку спадає сонячне тепло: потужне і абсолютно безкоштовне джерело енергії. І використати його цілком реально. Причому обладнання коштує хоч і дорого, але в рази дешевше за теплові насоси. Про те, як можна використовувати енергію сонця для опалення будинку, поговоримо докладніше.

Опалення від сонця: за і проти

Якщо говорити про використання сонячної енергії для опалення, то потрібно мати на увазі, що існують два різні пристрої для перетворення сонячної енергії:

Обидва варіанти мають свої особливості. Хоча відразу треба сказати, який би з них ви не вибрали, не поспішайте відмовлятися від тієї системи опалення, яка у вас є. Сонце встає, звичайно, щоранку, але не завжди на ваші сонячні елементи буде потрапляти достатньо світла. Найрозумніше рішення — створити комбіновану систему. Коли енергії сонця достатньо, друге джерело тепла не працюватиме. Цим ви і убезпечите себе, і жити будете в комфортних умовах, та заощадите.

Якщо бажання або можливості ставити дві системи немає, ваше сонячне опалення повинно мати щонайменше дворазовий запас за потужністю. Тоді точно можна сказати, що тепло у вас буде у будь-якому випадку.

Переваги використання сонячної енергії для опалення:

Недоліки:

• Залежність кількості тепла, що надходить, від погоди та регіону.
• Для гарантованого опалення потрібна система, яка може працювати паралельно із геліосистемою опалення. Багато виробників опалювального обладнання передбачають таку можливість. Зокрема, європейські виробники настінних газових котлів передбачають спільну роботу із сонячним опаленням (наприклад, котли Baxi). Навіть якщо у вас встановлено обладнання, яке такої можливості немає, можна погодити роботу опалювальної системи за допомогою контролера.
• Великі фінансові вкладення на стартовому.
• Періодичне обслуговування: трубки та панелі потрібно очищати від сміття, що налип, і мити від пилу.
• Деякі з рідинних сонячних колекторів не можуть працювати за дуже низьких температурах. Напередодні сильних морозів рідину доводиться зливати. Але це стосується не всіх моделей та не всіх рідин.

Тепер розглянемо докладніше кожен із типів сонячних нагрівальних елементів.

Сонячні колектори

Для сонячного опалення використовують саме геліоколектори. Ці установки за допомогою тепла сонця нагрівають рідину-теплоносій, яку потім можна використовувати у системі водяного опалення. Специфіка в тому, що сонячний водонагрівач для опалення будинку видає тільки температуру 45-60 ° С, а найвищу ефективність показує при 35 ° С на виході. Тому рекомендовані такі системи для використання в парі з теплими підлогами. Якщо відмовлятися від радіаторів вам не хочеться, або збільшуйте кількість секцій (в два рази приблизно) або підігрівайте теплоносій.

Для забезпечення будинку теплою водою та для водяного опалення можна використовувати сонячні колектори (плоські та трубчасті)

Тепер про види сонячних колекторів. Конструктивно є дві модифікації:

• плоскі;
• трубчасті.

У кожній із груп є варіації і за матеріалами, і за конструкцією, але принцип дії у них один: трубками біжить теплоносій, який нагрівається від сонця. Ось тільки конструкції абсолютно різні.

Плоскі сонячні колектори

Ці геліоустановки для опалення мають просту конструкціюі тому саме їх можна за бажання виготовити своїми руками. На металевій рамі закріплено міцне дно. Зверху укладено шар теплоізоляції. Ізолюються для зменшення втрат та стінки корпусу. Потім йде шар адсорбера - матеріалу, який добре поглинає сонячне випромінювання, перетворюючи його на тепло. Цей шар має чорний колір. На адсорбері закріплені труби, якими тече теплоносій. Зверху вся ця конструкція закривається прозорою кришкою. Матеріалом для кришки може бути загартоване скло або один із пластиків (найчастіше це полікарбонат). У деяких моделях світлопропускний матеріал кришки може проходити спеціальну обробку: для зменшення здатності, що відбиває, його роблять не гладким, а трохи матовим.

Труби в плоскому сонячному колекторі зазвичай укладені змійкою, є два отвори - впускний і випускний. Може бути реалізовано однотрубне та двотрубне підключення. Це комусь як подобається. Але для нормального теплообміну потрібний насос. Можлива і самопливна система, але вона буде дуже неефективною через невелику швидкість руху теплоносія. Саме цього типу сонячний колектор використовують для опалення, хоча з його допомогою можна ефективно гріти воду для ГВП.

Є варіант самопливного колектора, але його застосовують переважно для підігріву води. Називають таку конструкцію ще пластиковим сонячним колектором. Це дві пластини із прозорого пластику, герметично закріплені на корпусі. Усередині влаштований лабіринт для просування води. Іноді нижня панель пофарбована в чорний колір. Є два отвори - впускний і випускний. Вода подається всередину, у міру просування лабіринтом гріється сонцем, і виходить вже теплою. Така схема добре працює з резервуаром для води та легко нагріває воду для ГВП. Це сучасна заміназвичайній бочці, встановленій на літньому душі. Причому ефективніша заміна.

Наскільки ефективними є сонячні колектори? Серед усіх побутових геліоустановок на сьогодні вони показують найкращі результати: їх ККД 72-75%. Але не все так добре:

• вони не працюють уночі і погано працюють у похмуру погоду;
• великі втрати тепла, особливо за вітру;
• низька ремонтопридатність: якщо щось виходить з ладу, то треба міняти значну частину, або всю панель повністю.

Проте часто опалення приватного будинку від сонця роблять саме за допомогою цих геліоустановок. Такі установки популярні у південних країнах з активним випромінюванням та позитивними температурами у зимовий період. Для наших зим вони не підходять, але в літній сезонпоказують добрі результати.

Повітряний колектор

Ця установка може бути використана для повітряного опалення будинку. Конструктивно вона дуже нагадує описаний вище пластиковий колектор, але циркулює та нагрівається в ньому повітря. Такі пристрої навішуються на стіни. Діяти вони можуть двома способами: якщо повітряний геліонагрівач герметичний, повітря забирається з приміщення, нагрівається і повертається до того ж приміщення.

Є інший варіант. У ньому обігрів поєднаний із вентиляцією. У зовнішньому корпусі повітряного колектора є отвори. Через них усередину конструкції надходить холодне повітря. Проходячи через лабіринт, від сонячних променів він нагрівається, а потім підігрітим потрапляє до приміщення.

Таке опалення будинку буде більш-менш ефективним, якщо установка займатиме всю південну стіну, і при цьому тіні на цій стіні не буде.

Трубчасті колектори

Тут теж циркулює теплоносій трубами, але кожна з таких теплообмінних труб вставлена ​​в скляну колбу. Всі вони поєднуються в маніфолді (manifold), який, по суті, є гребінцем.

Схема трубчастого колектора (натисніть для збільшення розміру зображення)

Трубчасті колектори мають два типи трубок: коаксіальні та пір'яні. Коаксіальні - труба в трубі - вкладені одна в іншу та їх краї запаяні. Усередині між двома стінками створюється розріджене безповітряне середовище. Тому такі трубки називають вакуумними. Пір'яні трубки - це звичайна трубка, запаяна з одного боку. А пір'яними їх називають тому, що для підвищення тепловіддачі в них вставляється адсорберна пластина, яка має вигнуті краї і чимось нагадує перо.

Крім того, в різні корпуси можуть бути вставлені теплообмінники. різного типу. Перші це теплові канали Heat-pipe (Хіт пайп). Це ціла система перетворення сонячного світла на теплову енергію. Heat-pipe - це порожня мідна трубканевеликого діаметру, запаяна однією кінці. На другому знаходиться масивний наконечник. У трубку залито речовину із низькою температурою кипіння. При нагріванні речовина починає кипіти, частина її переходить у газоподібний стан і піднімається трубкою вгору. По дорозі від нагрітих стін трубки воно все більше нагрівається. Влучає у верхню частинуде знаходиться деякий час. За цей час частина тепла газ передає масивному наконечнику, поступово охолоджується, конденсується та осідає вниз, де процес знову повторюється.

Другий спосіб – U-type – це традиційна трубка, заповнена теплоносієм. Тут жодних новин чи сюрпризів. Все як завжди: з одного боку входить теплоносій, проходячи трубкою, нагрівається від сонячного світла. Незважаючи на свою простоту, цей вид теплообмінників ефективніший. Але використовується він рідше. А все тому, що сонячні водонагрівачі такого типу є єдиним цілим. При пошкодженні однієї трубки доводиться міняти всю секцію.

Трубчасті колектори із системою Heat-pipe коштують дорожче, показують меншу ефективність, але використовуються найчастіше. А все тому, що пошкоджену трубку можна поміняти за пару хвилин. Причому якщо колба використана коаксіальна, то трубка теж може бути відремонтована. Просто вона розбирається (знімається верхня заглушка) та пошкоджений елемент (тепловий канал або сама колба) замінюється на справний. Потім трубка вставляється на місце.

Який колектор краще для опалення

Для південних регіонів з м'якою зимоюі великою кількістю сонячних днів на рік найкращий варіант – плоский колектор. За такого клімату він показує високу продуктивність.

Для регіонів із суворішим кліматом підходять трубчасті колектори. Причому для суворих зимбільше підходять саме системи з Heat-pipe: вони гріють навіть уночі і навіть у похмуру погоду, збираючи велику частинуспектр сонячного випромінювання. Вони не бояться низьких температур, але точний діапазон температур слід уточнювати: він залежить від речовини, що знаходиться в тепловому каналі.

Ці системи при грамотному розрахунку можуть бути основними, але найчастіше вони просто економлять витрати на опалення від іншого платного джерела енергії.

Ще одним допоміжним опаленням може бути колектор повітряний. Його можна зробити на всю стіну, причому він легко реалізується своїми руками. Він відмінно підійде для опалення гаража чи дачі. Причому проблеми з недостатнім нагріванням можуть виникнути не взимку, як ви очікуєте, а восени. При морозі та снігу енергії сонця в рази більше, ніж у похмуру дощову погоду.

Сонячні батареї

Чуючи слова «сонячна енергетика» ми насамперед думаємо саме про батареї, які перетворять світло на електрику. І роблять це особливі фотоелектричні перетворювачі. Вони випускаються промисловістю із різних напівпровідників. Найчастіше для побутового використаннями використовуємо кремнієві фотоелементи. Вони мають саму низьку цінута показують досить пристойну продуктивність: 20-25%.

Сонячні батареї для приватного будинку в деяких країнах - звичайне явище

Безпосередньо використовувати сонячні батареї для опалення можна лише в тому випадку, якщо котел або інший опалювальний приладна електриці ви підключите до цього джерела струму. Також сонячні панелі в сукупності з електро-акумуляторами можна інтегрувати в систему постачання будинку електрикою і таким чином зменшувати рахунки, що приходять щомісяця, за використану електроенергію. У принципі цілком реально повністю забезпечити потреби сім'ї від цих установок. Просто коштів та площ знадобиться багато. У середньому з квадратного метрапанелі можна одержати 120-150Вт. Ось і рахуйте, скільки квадратів покрівлі або прибудинкової територіїмає бути зайнято такими панелями.

Особливості опалення сонячним теплом

Доцільність улаштування системи сонячного опалення у багатьох викликає сумніви. Основний аргумент - це дорого і ніколи себе не окупить. З тим, що це дорого, доводиться погодитись: ціни на обладнання чималі. Але ніхто не заважає вам почати з малого. Наприклад, для оцінки ефективності та практичності ідеї зробити подібну установку самому. Витрат мінімум, а уявлення будете мати з перших рук. Потім вже вирішуватимете чи варто з усім цим зв'язуватися чи ні. Ось тільки в чому річ: усі негативні повідомлення від теоретиків. Від практиків не зустрічалося жодного. Йде активне з'ясування способів покращення, переробок, але ніхто не сказав, що витівка марна. Це щось говорить.

Тепер про те, що встановлення системи сонячного опалення ніколи не окупиться. Поки що термін окупає

мости в нашій країні великий. Він можна порівняти з терміном експлуатації сонячних колекторів або батарей. Але якщо подивитися динаміку зростання цін на всі енергоносії, то можна припустити, що незабаром скоротиться до цілком прийнятних термінів.

Тепер власне про те, як створити систему. Насамперед, потрібно визначити потребу вашого будинку та семи у теплі та гарячій воді. Загальна методика розрахунку системи сонячного опалення:

• Знаючи, в якому регіоні знаходиться будинок, ви можете дізнатися скільки сонячного світла припадає на 1м 2 площі в кожному місяці року. Фахівці це називають інсоляцією. Виходячи з цих даних, ви зможете прикинути, скільки сонячних панелей вам необхідно. Але спочатку потрібно визначити, скільки тепла знадобиться на підготовку ГВП та опалення.
• Якщо лічильник гарячої води у вас є, ви знаєте обсяги гарячої води, які ви витрачаєте щомісяця. Виведіть середні дані витрати за місяць або рахуйте за максимальною витратою - це хто як хоче. Також у вас повинні бути дані про теплові втрати будинку.
• Перегляньте сонячні нагрівачі, які хотіли б поставити. Маючи дані щодо їхньої продуктивності, ви зможете приблизно визначити кількість елементів, необхідну на покриття ваших потреб.

Крім визначення кількості складових геліосистеми, знадобиться визначити обсяг бака, в якому накопичуватиметься гаряча вода для ГВП. Це легко можна зробити, знаючи фактичні витрати вашої родини. Якщо у вас встановлено лічильник на ГВП, і ви маєте дані за кілька років, можна вивести середню норму споживання на день (середню витрату на місяць поділити на кількість днів). Ось приблизно такий обсяг бака вам потрібний. Але бак треба брати із запасом у 20% або близько того. На всякий випадок.

Якщо ГВП чи лічильника немає, можна скористатися нормами споживання. Одна людина за добу в середньому витрачає 100-150 літрів води. Знаючи, скільки людей постійно проживають у будинку, ви розрахуєте необхідний обсяг бака: норма множиться на кількість мешканців.

Відразу слід сказати, що раціональною (з точки зору окупності) для середньої смуги Росії є система сонячного опалення, яка покриває близько 30% потреби в теплі і повністю забезпечує гарячою водою. Це усереднений результат: у якісь місяці опалення на 70-80% забезпечуватиметься геліосистемою, а в якісь (грудень-січень) лише на 10%. І ще багато залежить від типу сонячних батарей і від регіону проживання.

Причому справа не тільки в «північній» чи «на південь». Справа у кількості сонячних днів. Наприклад, на дуже холодній Чукотці сонячне опалення буде дуже ефективним: там майже завжди світить сонце. У більш м'якому кліматі Англії, з вічними туманами, його ефективність вкрай низька.
;

Підсумки

Незважаючи на безліч критиків, які говорять про неефективність сонячної енергетики та занадто великий термін окупності, все більше людейхоч частково переходять на альтернативні джерела. Окрім економії багатьох приваблює незалежність від держави та її цінової політики. Щоб не шкодувати про даремно вкладені суми, можна спочатку провести експеримент: виготовити одну із сонячних установок своїми руками та вирішити для себе наскільки це вас приваблює (або ні).

Сонячне теплопостачання – спосіб опалення житлового будинку, який з кожним днем ​​стає все більш популярним у багатьох, переважно розвинених, державах світу. Найбільшими успіхами в галузі сонячної теплової енергетики на сьогоднішній день можуть похвалитися в країнах західної та центральної Європи. На території Євросоюзу протягом останнього десятиліття спостерігається щорічне зростання галузі поновлюваної енергетики на 10–12%. Такий рівень розвитку – це дуже суттєвий показник.

сонячний колектор

Одна з найбільш очевидних сфер застосування сонячної енергетики – це її використання з метою підігріву води та повітря (як теплоносіїв). У кліматичних областях, де переважає холодна погода, комфортного проживаннялюдей обов'язковий розрахунок та організація систем опалення кожного житлового будинку. У них має бути гаряче водопостачання для різних потреб, до того ж будинку необхідно опалювати. Звісно, найкращим варіантомтут буде застосування схеми, де працюють автоматизовані системитеплопостачання.

Великих обсягів щоденного надходження гарячої води у процесі виробництва вимагають промислове підприємство. Як приклад можна навести Австралію, де на підігрів рідкого теплоносія до температури, що не перевищує 100 o C, витрачається практично 20 відсотків всієї енергії, що витрачається. Тому в частині розвинених країн заходу, а більшою мірою в Ізраїлі, Північній Америці, Японії та, звичайно ж, в Австралії, дуже швидко відбувається розширення виробництва сонячних опалювальних систем.

У найближчому майбутньому розвиток енергетики, безперечно, буде спрямований на користь використання сонячного випромінювання. Щільність сонячної радіації на земній поверхні становить у середньому 250 Вт на квадратний метр. І це при тому, що для забезпечення господарських потреб людини в найменш індустріальних районах достатньо двох Ват на квадратний метр.

Вигідна відмінність сонячної енергії від інших галузей енергетики, що використовують процеси спалювання викопного палива, це екологічність енергії. Робота сонячного обладнання не спричиняє виділення шкідливих викидів в атмосферу.

Вибір схеми застосування обладнання, пасивні та активні системи

Існує дві схеми використання сонячного випромінювання як система опалення для будинку. Це активні та пасивні системи. Пасивні системи опалення на сонячній радіації - ті, в яких елементом, що безпосередньо абсорбує сонячну радіацію і утворює з неї теплоту, служить сама конструкція будинку або його окремі частини. Цими елементами можуть бути паркан, покрівля, окремі частини будівлі, побудовані на основі певної схеми. У пасивних системах не використовуються механічні частини, що рухаються.

Активні системи працюють на основі протилежної схеми опалення будинку, в них активно використовуються механічні пристрої (насоси, двигуни, при їх використанні також розраховують потрібну потужність).

Найбільш простими за своєю конструкцією і менш витратними в фінансовому планіПри монтажі схеми є системи пасивної дії. Такі схеми опалення не потребують встановлення додаткових пристроїв для абсорбції та подальшого розподілу сонячного випромінювання в системі опалення будинку. Робота таких систем ґрунтується на принципі прямого обігрівужитлового приміщення прямо через стіни, що пропускають світло, розташовані на південній стороні. Додаткову функцію обігріву виконують зовнішні поверхні елементів огорожі будинку, які обладнуються шаром прозорих екранів.

Для запуску процесу перетворення сонячної радіації на теплову енергію застосовують систему конструкцій, засновану на використанні геліоприймачів з прозорою поверхнею, де основну функцію грає «парниковий ефект», використовуються можливості скла утримувати теплове випромінювання, завдяки чому і підвищують температуру всередині приміщення.

Варто відзначити, що застосування лише одного з видів систем може бути не зовсім виправданим. Найчастіше ретельний розрахунок показує, що досягти значного зниження втрат тепла та зменшення потреб будівлі в енергії можна шляхом застосування інтегрованих систем. Загальна робота і активної та пасивної системи шляхом поєднання позитивних якостей дасть максимальний ефект.

Зазвичай розрахунок ефективності показує, що пасивне використання випромінювання сонця забезпечить потреби вашого будинку в опаленні приблизно на 14-16 відсотків. Така система буде важливою складовою процесу одержання тепла.

Проте, незважаючи на певні позитивні якостіпасивних систем, основні можливості для повного забезпечення потреб будівлі в теплі все ж таки необхідно застосування активного опалювального обладнання. Системи, функцією яких є безпосередньо поглинання, акумуляція та розподіл сонячної радіації.

Планування та розрахунок

Здійснити розрахунок можливості монтажу активних опалювальних систем, що використовують сонячну енергію (кристалічні сонячні фотоелементи, сонячні колектори), бажано на стадії проектування будівлі. Але все ж таки цей момент не носить обов'язкового характеру, установка такої системи можлива і на вже існуюче завдання незалежно від року його побудови (основа для успіху – правильний розрахунок усієї схеми).

Монтаж обладнання здійснюють на південний бік будинку. Таке розташування створює умови для максимального поглинання сонячної радіації, що надходить, взимку. Фотоелементи, що перетворюють енергію сонця та встановлені на нерухому конструкцію, найбільш ефективні при їх монтажі щодо поверхні землі під кутом, що дорівнює географічній локації опалювальної будівлі. Кут нахилу даху, градус повороту будинку на південь – це значні моменти, які обов'язково треба враховувати, розраховуючи всю схему опалення.

Сонячні фотоелементи та колектори на сонячному випромінюванні необхідно встановлювати максимально близько до місця енергоспоживання. Пам'ятайте, що чим ближче ви збудуєте ванну та кухню, тим менше будуть втрати тепла (у такому варіанті можна обійтися і одним сонячним колектором, який обігріватиме обидва приміщення). Основним критерієм оцінки при доборі необхідного вам обладнання є коефіцієнт корисної дії.

Опалювальні сонячні системи активної дії, Діляться на наступні групи за такими критеріями:

1. Застосування дублюючого контуру;
2. Сезонність роботи (протягом усього року або у певний сезон);
3. Функціонального призначення – опалювальні, постачання гарячої води та комбіновані системи;
4. Теплоносій, що застосовується - рідина або повітря;
5. Застосоване технічне рішеннякількості контурів (1, 2 або більше).

Загальні економічні дані слугуватимуть основним чинником вибору на користь одного з типів обладнання. Правильно визначитися допоможе грамотний тепловий розрахунок всієї системи. Розрахунок необхідно виконувати, враховуючи показники кожного конкретного приміщення, де намічена організація сонячного опалення та (або) гарячого водопостачання. Варто враховувати місце розташування будови, кліматичні природні умови, розмір вартості витісненого енергетичного ресурсу. Правильний розрахунок та вдалий вибір схеми організації теплопостачання – запорука економічної доцільності застосування обладнання сонячної енергетики.

Сонячна система теплопостачання

Найпоширенішою зі схем опалення є установка сонячних колекторів, в яких передбачена функція накопичення абсорбованої енергії в спеціальній ємності - акумуляторі.

На сьогоднішній день найбільшого поширення набули двоконтурні схеми опалення житлових приміщень, в яких встановлено примусова системациркуляції теплоносія у колекторі. Принцип його роботи є наступним. Подача гарячої води здійснюється з верхньої точки накопичувального бака, процес відбувається автоматично згідно із законами фізики. Холодна проточна воданапором подається в нижню частину бака, ця вода витісняє нагріту, що збирається у верхній частині бака, яка далі надходить в систему гарячого водопостачання будинку для задоволення його господарських потреб і потреб опалення.

Для односімейного будинку зазвичай встановлюють бак накопичувач місткістю від 400 до 800 літрів. Для розігріву теплового носія таких обсягів залежить від природних умовпотрібно правильно розрахувати площу поверхні сонячного колектора. Також необхідно обґрунтувати використання обладнання економічно.

Стандартний набір обладнання для монтажу опалювальної системи на сонячному випромінюванні:

• Безпосередньо сам сонячний колектор;
• Кріпильна система (опори, балки, утримувачі);
• Накопичувальний бак;
• Бак компенсують надмірне розширення теплового носія;
• - Пристрій контролю роботи насоса;
• Насос (комплект клапанів);
• Температурні датчики;
• Теплообмінні пристрої (застосовують у схемах з більшими обсягами);
• Теплоізольовані труби;
• Запобіжна та регулююча арматура;
• фітинги.

Система на основі теплопоглинаючих панелей. Такі панелі зазвичай застосовують на етапі нового будівництва. Для їх монтажу необхідно побудувати спеціальну конструкцію, яка називається гарячим дахом. Це означає, що панелі необхідно вмонтувати безпосередньо в конструкцію даху, при цьому використовуючи елементи покрівлі як складові елементи корпусу обладнання. Така установка знизить ваші витрати на створення системи опалення, проте вимагатиме високоякісної роботи з гідроізоляції стиків пристроїв та покрівлі. Такий спосіб встановлення обладнання вимагатиме від вас ретельного проектування та планування всіх етапів роботи. Потрібно вирішити багато завдань з розведення труб, розміщення накопичувального бака, встановлення насоса, регулювання ухилів. Досить багато проблем при монтажі доведеться вирішити у випадку, якщо будівля не вдало повернута на південь.

Загалом проект сонячних систем опалення буде відмінним від інших тією чи іншою мірою. Постійними залишаться лише базові принципи системи. Тому навести точний перелік необхідних деталей для повного монтажувсієї системи неможливо, тому що в процесі установки може виникнути необхідність застосування додаткових елементів та матеріалів.

Рідинні опалювальні системи

У системах, що працюють на основі рідкого теплоносія, як акумулюючу речовину застосовують звичайну воду. Абсорбція енергії відбувається у сонячних колекторах плоскої конструкції. Енергія акумулюється в баку накопичувача і витрачається у міру виникнення потреби.

Для передачі енергії від накопичувача в будинок застосовують водо-водяний або водоповітряний теплообмінник. Система гарячого водозабезпечення обладнана додатковим баком, який називають баком для попереднього нагрівання. Вода нагрівається в ньому за рахунок сонячного випромінювання і далі надходить у звичайний водонагрівач.

Повітряна опалювальна система

Така система як носій тепла використовує повітря. Розігрівання теплоносія здійснюється в плоскому сонячному колекторі, а далі нагріте повітря потрапляє в опалювальне приміщення або в спеціальний накопичувальний прилад, де абсорбована енергія накопичується в спеціальній насадці, яка обігрівається гарячим повітрям. Завдяки цій особливості система продовжує постачати будинок теплом навіть уночі, коли сонячне випромінювання недоступне.

Системи з примусовою та природною циркуляцією

Основа роботи систем із природною циркуляцією полягає у самостійному русі теплоносія. Під впливом температури, що підвищується, він втрачає щільність і тому прагнути у верхню частину пристрою. Виникає різниця у величині тиску і змушує функціонувати устаткування.

Опис:

Особливого значення при проектуванні олімпійських об'єктів у Сочі має використання екологічно чистих відновлюваних джерел енергії та насамперед енергії сонячної радіації. У зв'язку з цим буде цікавий досвід розробки та впровадження пасивних сонячних систем теплопостачання у житлових та громадських будівляхв провінції Ляонін (Китай), оскільки географічне розташування та кліматичні умовиданої частини Китаю можна порівняти з аналогічними характеристиками Сочі.

Досвід Китайської Народної Республіки

Чжао Цзіньлін, Канд. техн. наук, Далянський політехнічний ун-т (КНР), стажист кафедри промислових теплоенергетичних систем,

А. Я. Шелгінський, доктор техн. наук, проф., наук. керівник, МЕІ (ТУ), Москва

Особливого значення при проектуванні олімпійських об'єктів у Сочі має використання екологічно чистих відновлюваних джерел енергії та насамперед енергії сонячної радіації. У зв'язку з цим буде цікавий досвід розробки та впровадження пасивних сонячних систем теплопостачання в житлових та громадських будівлях у провінції Ляонін (Китай), оскільки географічне розташування та кліматичні умови цієї частини Китаю можна порівняти з аналогічними характеристиками Сочі.

Застосування відновлюваних джерел енергії (ВІЕ) для систем теплопостачання є актуальним і дуже перспективним нині за умови грамотного підходу до цього питання, оскільки традиційні джерела енергії (нафта, газ тощо) не є безмежними. У зв'язку з цим багато країн, включаючи КНР, переходять на використання екологічно чистих відновлюваних джерел енергії, одним із яких є теплота сонячного випромінювання.

Можливість ефективного використання теплоти сонячного випромінювання в Китайській Народній Республіці залежить від регіону, оскільки кліматичні умови різних частинахКраїни сильно відрізняються: від помірного континентального (захід і північ) зі спекотним літом і суворою зимою, субтропічного в центральних районах країни до тропічного мусонного на південному узбережжі та островах, обумовлюється географічним місцезнаходженням території, на якій знаходиться об'єкт (таблиця).

Таблиця Розподіл сонячних ресурсів територією Китаю

Зона Річна тривалість інсоляції, год Сонячна радіація, MДж / (м 2. Рік) Район Китаю Відповідні райони в інших країнах світу I 2 800-3 300 7 550-9 250 Тибет і т.д. Північні райони Пакистану та Індії II 3 000-3 200 5 850-7 550 Хебей і т.д. Джакарта (Індонезія) III 2 200-3 000 5 000-5 850 Пекін, Далянь тощо. Вашингтон (США) IV 1 400-2 200 4 150-5 000 Хубжй, Хунань і т.д. Мілан (Італія), Німеччина, Японія V 1 000-1 400 3 350-4 150 Сичуань та Гуйчжоу Париж (Франція), Москва (Росія)

У провінції Ляонін інтенсивність сонячної радіації становить від 5 000 до 5 850 МДж/м 2 на рік (у Сочі – близько 5 000 МДж/м 2 на рік), що дозволяє активно застосовувати системи опалення та охолодження будівель на основі використання енергії сонячної радіації. Такі системи, що перетворюють теплоту сонячного випромінювання та зовнішнього повітря, можна поділити на активні та пасивні.

У пасивних системах сонячного теплопостачання (ПССТ) використовується природна циркуляція нагрітого повітря (рис. 1), тобто гравітаційні сили.

В активних системах сонячного теплопостачання (мал. 2) задіяно додаткові джерела енергії для забезпечення її роботи (наприклад, електроенергія). Теплота сонячного випромінювання надходить на сонячні колектори, де частково акумулюється і передається проміжному теплоносію, який транспортується насосами і розподіляється по приміщеннях.

Можливі системи з нульовим споживанням теплоти та холоду, де відповідні параметри повітря у приміщеннях забезпечуються без додаткових енерговитрат за рахунок:

• необхідної теплової ізоляції;
• вибору конструкційних матеріалівбудівлі з відповідними теплохолодоакумулюючими властивостями;
• використання у системі додаткових теплохладоакумуляторів з відповідними характеристиками.

На рис. 3 представлена ​​вдосконалена схема роботи пасивної системи теплопостачання будівлі з елементами (штори, клапани), що дозволяють точніше регулювати температуру повітря всередині приміщення. На південній стороні будівлі встановлюється так звана стіна Тромба, яка складається з масивної стіни (бетонної, цегляної або кам'яної) та скляної перегородки, яка встановлюється на невеликій відстані від стіни із зовнішнього боку. Зовнішня поверхня масивної стіни забарвлена ​​у темний колір. Через скляну перегородку нагрівається масивна стіна та повітря, що знаходиться між скляною перегородкою та масивною стіною. Нагріта масивна стіна за рахунок випромінювання та конвективного теплообміну передає накопичену теплоту до приміщення. Таким чином, у цій конструкції поєднуються функції колектора та акумулятора теплоти.

Повітря, що знаходиться в прошарку між скляною перегородкою і стіною, в холодний період часу і в сонячний день використовується як теплоносій для подачі теплоти в приміщення. Для запобігання тепловідтокам в навколишнє середовище в холодний період часу в нічний час і надлишкових теплоприток сонячні днітеплого періоду часу використовуються штори, які значно скорочують теплообмін між масивною стіною та зовнішнім навколишнім середовищем.

Штори виконуються з нетканих матеріалів із сріблястим покриттям. Для забезпечення необхідної циркуляції повітря використовуються повітряні клапани, які розташовані у верхній та нижній частинах масивної стіни. Автоматичне керування роботою повітряних клапанів дозволяє підтримувати необхідні теплопритоки або тепловідтіки в приміщенні, що обслуговується.

Система пасивного сонячного теплопостачання працює так:

1. У холодний період (опалення):

• сонячний день – штора піднята, клапани відкриті (мал. 3а). Це призводить до нагрівання масивної стіни через скляну перегородку та нагрівання повітря, що знаходиться у прошарку між скляною перегородкоюта стіною. Теплота надходить у приміщення від нагрітої стіни та нагрітого у прошарку повітря, що циркулює через прошарок і приміщення під впливом гравітаційних сил, викликаних різницею щільностей повітря за різних температур (природна циркуляція);
• ніч, вечір чи похмурий день – штора опущена, клапани закриті (мал. 3б). Тепловідтікання у зовнішнє середовище значно скорочуються. Температура у приміщенні підтримується за рахунок надходження теплоти від масивної стіни, що накопичила цю теплоту від сонячного випромінювання;

2. У теплий період (охолодження):

• сонячний день – штора опущена, нижні клапани відчинені, верхні – закриті (мал. 3в). Штора оберігає нагрівання масивної стінки від сонячного випромінювання. Зовнішнє повітря надходить у приміщення з затіненої сторони будинку і виходить через прошарок між скляною перегородкою та стіною у навколишнє середовище;
• ніч, вечір чи похмурий день – штора піднята, нижні клапани відкриті, верхні – закриті (мал. 3г). Зовнішнє повітря надходить у приміщення з протилежного боку будинку і виходить у навколишнє середовище через прошарок між скляною перегородкою та масивною стіною. Стіна охолоджується в результаті конвективного теплообміну з повітрям, що проходить через прошарок, та за рахунок відтоку теплоти випромінюванням у навколишнє середовище. Охолоджена стіна в денний часпідтримує необхідний температурний режимв приміщенні.

Для розрахунку систем пасивного сонячного опалення будівель розроблено математичні моделінестаціонарного теплоперенесення при природній конвекції для забезпечення приміщень необхідними температурними умовами залежно від теплофізичних властивостей конструкцій, що огорожують, добової зміни сонячного випромінювання та температури зовнішнього повітря.

Для визначення достовірності та уточнення отриманих результатів у Даляньському політехнічному університеті розроблено, виготовлено та досліджено експериментальну модель житлового будинку, розташованого у м. Далянь, з пасивними сонячними системами опалення. Стіна Тромба розміщується лише на південному фасаді, з автоматичними повітряними клапанамита шторами (рис. 3, фото).

Під час проведення експерименту використовувалися:

• мала метеостанція;
• прилади для виміру інтенсивності сонячної радіації;
• анемограф RHAT-301 для визначення швидкості повітря у приміщенні;
• термометрограф TR72-S та термопари для вимірювання температури в приміщенні.

Експериментальні дослідження проводилися в теплий, перехідний та холодний періоди року за різних метеорологічних умов.

Алгоритм розв'язання поставленого завдання подано на рис. 4.

Результати експерименту підтвердили достовірність отриманих розрахункових співвідношень та дозволили скоригувати окремі залежності з урахуванням конкретних граничних умов.

В даний час у провінції Ляонін знаходиться багато житлових будинків та шкіл, у яких використовуються пасивні сонячні системи опалення.

Аналіз пасивних сонячних систем теплопостачання показує, що вони є досить перспективними в окремих кліматичних регіонах у порівнянні з іншими системами з таких причин:

• дешевизна;
• простота обслуговування;
• надійність.

До недоліків пасивних сонячних систем опалення слід віднести те, що параметри повітря всередині приміщення можуть відрізнятися від необхідних (розрахункових) при зміні зовнішнього повітря за межами, прийнятими в розрахунках.

Для досягнення гарного енергозберігаючого ефекту в системах теплохолодопостачання будівель з більш точним підтриманням температурних умов у заданих межах доцільно комбіноване використання пасивних та активних сонячних систем теплохолодопостачання.

У зв'язку з цим необхідні подальші теоретичні дослідження та проведення експериментальних робіт на фізичних моделях з урахуванням раніше одержаних результатів.

Література

1. Zhao Jinling, Chen Bin, Liu Jingjun, Wang Yongxun Dynamic thermal performance simulation of improved pasive solar house with trombe wall ISES Solar word Congress, 2007, Beijing China, Vols 1-V: 2234–2237.

2. Zhao Jinling, Chen Bin, Chen Cuiying, Sun Yuanyuan Study на dynamickий thermal response of passive solar heating systems. Journal of Harbin Institute of Technology (New Series). 2007. Vol. 14: 352-355.